优化隔离传感器接口的功率转换 (隔离型温度传感器)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}在工业控制世界，有几点是确定无疑的：下一款产品将具有更小的尺寸、更多通道数，每通道的目标成本更低。人们期望，技术在上一个设计产品之后已有所改进，所有这些都是可能的。在很大程度上，过去就是这样发展的，而未来很可能仍然如此。从光耦合器时代到最新的高速、低功耗、高集成度数字隔离器，数据接口一直在稳步发展。本文将讨论隔离传感器接口的一个本应得到更多关注的方面。如何在缩小接口尺寸并提高性能的同时，将隔离电源提供给ADC和调理电路？过去，模拟接口板的通道数不多，因此板上有足够的空间可用来设计适当的DC-DC转换器，以便为传感器接口提供电源。一个模块只有一两个接口，因此功耗不是什么大问题。而目前，模拟PLC模块(如图1所示)能够提供4个、8个甚至个*的隔离通道。多个大小适中的DC-DC转换器会占据很多空间，并产生很多热量。

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图1.典型多通道传感器接口图1所示通用模拟接口为电源讨论提供了一个很好的起点。有源电路包括信号调理单元(例如运算放大器或仪表放大器)，以及集成了串行接口的ADC，可通过数字隔离器通道实现与FPGA的接口。通常该电路所需功率远低于mW。为传感器接口提供电源的基本挑战是优化电源，使其在所需功率范围内正常工作。0mW至mW工作范围意味着构成电源的*和反馈元件的固定静态功耗会占所用总功耗的较大部分，因此效率较低。表1中不同电源配置的静态电流值显示了这一点。另外，许多简单电源设计需要一个最小负载才能正常工作，为使电源正常发挥作用，必须将功率浪费在持续阻性负载上。虽然在电路板上放置一个定时器和晶体管来获得一定的功率很容易，但制作一个高效、可靠、低功耗的电源则很困难。在此功率范围内，有三种基本的DC-DC转换器类型：1.非稳压开关电源或模块2.稳压开关电源或模块3.芯片级功率转换器采用这些电源结构都会增加控制电路的复杂性，而前两种类型还需增加元器件数目和解决方案的尺寸。非稳压电源最简单的解决方案是图2所示的非稳压DC-DC转换器。

图2.非稳压DC-DC模块该设计利用固定频率、固定占空比输入切换来产生副边电源，然后进行整流和滤波。所选变压器的额定隔离电压必须达到应用要求。隔离要求越高，则变压器越大(即PCB面积越大、高度越高)。该解决方案的成本以变压器为主，数量合适的话，分立解决方案的成本低于1.美元。虽然成本很低，但负载和温度范围内的输出电压变化可能很大，模拟接口的模拟器件选择将更加困难。模拟接口的所有模拟器件都必须具有出色的电源抑制性能，负载不能快速变化，否则就会引起电源大幅度改变。因此，器件成本会提高，或者至少要花费更多的设计时间，以评估解决方案在极端情况下的表现。非稳压电源的效率可能相当高，但电源质量很低。稳压电源和模块稳压电源提供更好的输出特性。图3显示一个1W功率范围内的典型DC-DC模块。

图3.稳压DC-DC模块与上述非稳压电源示例类似，*将功率切换到变压器中。选择适当的变压器功率水平和匝数比，以便在最大负载下提供充足的电压，使得LDO能够将输出电压调节到稳定的水平。该方案的电源效率在高负载下非常好，在低负载下则很差，而后者正是模拟接口应用的运行情况。有许多有源稳压方案可以提高全负载范围内的效率，但需要复杂得多的控制电路，而且大部分方案需要在隔离栅上建立一个反馈通道。这会大幅增加设计的成本和尺寸，一般不适合此功率范围内的模块。由于难以将变压器整合到组件中，因此这些电源的集成并未超出密封模块或PCB子卡。制造商在缩小这些器件的尺寸方面取得的成功非常有限。芯片级转换器芯片级变压器技术是ADI公司针对iCoupler®数字隔离器产品而开发的，基于该技术已产生一类新型DC-DC转换器。该技术非常适合低功耗高性能电源设计。变压器为